Аеродинаміка пташиного крила

Нікому досі ще не доводилося побачити, як виглядає аеродинамічний слід в повітрі за крилом птаха, що летить. Вперше цю інтригуючу експериментальну задачу зуміли вирішити вчені Інституту еволюційної морфології та екології тварин. Напевно, не варто довго пояснювати, чим приваблює дослідників проблема рухомого крила, принаймні, прикладне її значення гідно оцінить кожен, хто помічав, який досконалий політ птахів. Фахівці ж в області аеродинаміки сподіваються, що з вирішенням цієї проблеми відкриється нова глава в одній з фундаментальних дисциплін механіки.

Понад сто років тому були закладені основи класичної аеродинаміки. На кордоні XX століття виникла теорія крилатого польоту. Спостерігаючи за моделлю нерухомого крила в потоці газу або рідини, дослідники вивчили характер руху частинок середовища у його поверхні і за ним виявили, зокрема, причини появи підйомної сили, що діє на крило, і підрахували її величину. А потім застосували закони аеродинаміки на практиці, побудувавши літальні апарати важче повітря – планери, літаки, вертольоти…

Як же поводиться крило живе, а не штучне, наприклад, крило птаха? Було ясно, що взаємодія рухомого крила з середовищем має зовсім інший характер. Хоча б тому, що пташине крило на відміну від стаціонарного саме по собі рухається по дуже складним законам – весь час змінюється його конфігурація; кожен елемент крила описує в просторі свою, досить хитромудру траєкторію; що ні мить, то новий набір динамічних величин – кута атаки, лобового опору, підйомної сили і т. п.

Але навіть найретельніше вивчення швидкісних кінограмм не давало повної якісної картини аеродинаміки польоту. А без цього годі було й думати про точну кількісну теорію. Не вистачало, ймовірно, самого головного – знання того, як веде себе середовище, в даному випадку повітря: за якими траєкторіями і з якими швидкостями рухаються шари повітря навколо крила.

Вчені з Інституту еволюційної морфології Н. В. Кокшайський і В. І. Петровський знайшли оригінальне рішення проблеми. Ідея методу така. У великий акваріум з органічного скла, в якому знаходиться птах, вдувається хмарка дрібного деревного пилу або рослинного пилку. Пролітаючи крізь хмарку, птах крилами надає руху шарам повітря, разом з ними рухаються порошинки. Вони-то і покликані зробити видимим слід за крилом.

Тільки от лихо: зяблик, з яким працювали вчені, бачачи хмарку, лякався і відмовлявся летіти крізь неї з однієї жердини на іншу. Довелося піти на хитрість – затемнили приміщення лабораторії, і зяблик, не бачачи в темряві пилу, став охоче пролітати крізь хмарку.

Фотозйомку вчені проводили стробоскопічним методом. У темряві відкривався затвор фотоапарата, вдували порцію пилу і одночасно полохали з жердочки птицю. Підлітаючи до хмаринки, зяблик перекривав промінь фотореле, при цьому спрацьовував механізм підсвічування. Об’єкт висвітлювався серією коротких імпульсних спалахів, так що кожна порошинка в міру руху виявлялася послідовно сфотографованою шість-сім разів, даючи зображення невеликого відрізка траєкторії.

Так вперше в світовій практиці вдалося отримати унікальні фотографії, які відкрили цікаву картину вихрових процесів в аеродинамічному сліді птаха, що летить. Навіть побіжний попередній аналіз знімків дозволив виявити ряд цікавих закономірностей. Наприклад, вихрове кільце в повітрі виникає, як правило, при змаху крила вниз. Рухаючись вгору, крило птиці як би складається, його силова взаємодія з повітрям мінімальна, і вихор в цьому випадку не утворюється. В цілому аеродинамічний слід виглядає як серія вихрових кілець, нанизаних на струмінь повітря.

Можна вважати експериментально доведеним, що характер взаємодії рухомого крила з повітрям принципово відрізняється від того, що відбувається навколо стаціонарного крила. Отримані дані будуть уважно вивчені фахівцями з аеродинаміки.